專利名稱：具有質(zhì)量平衡的內(nèi)燃機(jī)和用于操作這種內(nèi)燃機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)。
背景技術(shù)：
對(duì)于機(jī)動(dòng)車和內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)來說，振動(dòng)變得日益重要。另外，還試圖影響和調(diào)整由內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的噪音。根據(jù)噪音設(shè)計(jì)的理念，還綜合了與此相關(guān)的一些措施。內(nèi)燃機(jī)聲音或車輛噪音對(duì)客戶在購(gòu)買車輛時(shí)的購(gòu)買決定起了主要的、決定性的影響，這種認(rèn)知也推動(dòng)了這種研發(fā)工作。例如，跑車駕駛員更喜歡那種以噪音彰顯車輛或發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特征的車輛在噪音設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，補(bǔ)償(例如去除或消除)振動(dòng)，或者隔離、濾除特定頻率的獨(dú)立振動(dòng)，并且如果有必要的話，則對(duì)特定頻率的獨(dú)立振動(dòng)進(jìn)行建模?？梢宰R(shí)別為機(jī)動(dòng)車上的噪聲源的源包括流動(dòng)噪聲、由于固體傳播的聲音(solid-borne sound)福射所產(chǎn)生的噪聲以及由于固體傳播的聲音經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)支承座引入車輛車身所產(chǎn)生的噪聲。例如，流動(dòng)噪聲包括排氣管出口處的噪聲、進(jìn)氣噪聲和風(fēng)扇噪聲，而由于固體傳播的聲音輻射所產(chǎn)生的噪聲包括實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和排氣系統(tǒng)的排放噪聲。通過沖擊和交變力進(jìn)行振蕩的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射固體傳播的聲音作為空氣傳播的聲音并且以這種方式生成實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)支承座引入固體傳播的聲音，尤其是將固體傳播的聲音引入車輛車身對(duì)于聽覺行駛舒適性尤其重要。內(nèi)燃機(jī)和相關(guān)的次級(jí)總成是能夠振蕩并且可以影響其振動(dòng)行為的系統(tǒng)。與沖擊激勵(lì)和力激勵(lì)最相關(guān)的部件是曲軸殼體、汽缸體、汽缸蓋、曲軸驅(qū)動(dòng)裝置、活塞和閥驅(qū)動(dòng)裝置。這些部件經(jīng)受慣性力和氣體力。這里，曲軸驅(qū)動(dòng)裝置具體包括曲軸、活塞、活塞銷和連桿，并且形成能夠振蕩且與根據(jù)本發(fā)明的方法相關(guān)的系統(tǒng)。曲軸通過隨時(shí)間變化并且經(jīng)由與對(duì)應(yīng)曲軸銷相連的連桿引入曲軸的旋轉(zhuǎn)力而經(jīng)受旋轉(zhuǎn)振蕩。這些旋轉(zhuǎn)振蕩引起由固體傳播的聲音的輻射而產(chǎn)生的噪聲以及由固體傳播的聲音弓I入車身和內(nèi)燃機(jī)而產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)在自然頻率范圍內(nèi)激勵(lì)曲軸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)振蕩幅度，甚至?xí)?dǎo)致疲勞斷裂。這表明感興趣的振蕩不僅與噪音設(shè)計(jì)有關(guān)，而且還與部件的強(qiáng)度有關(guān)。曲軸的旋轉(zhuǎn)振蕩以非期望的方式經(jīng)由控制傳送裝置或凸輪軸驅(qū)動(dòng)裝置傳遞至凸輪軸，其中，凸輪軸本身也代表振蕩系統(tǒng)并且可以使其他系統(tǒng)(尤其是閥驅(qū)動(dòng)裝置)振蕩。此外，曲軸的振湯被弓I入傳動(dòng)系，經(jīng)由該傳動(dòng)系可被傳遞至車輛的輪胎。
在四沖程內(nèi)燃機(jī)的曲軸曲柄(crankshaft throw)處的旋轉(zhuǎn)力分布是周期性的,其中，周期為曲軸的兩次旋轉(zhuǎn)。為了能夠表述旋轉(zhuǎn)振蕩的激勵(lì)，旋轉(zhuǎn)力分布通常通過傅里葉分析分解為其諧波分量。在這種情況下，實(shí)際旋轉(zhuǎn)力分布由恒定旋轉(zhuǎn)力和具有不同旋轉(zhuǎn)力幅度和頻率或振動(dòng)速率的多個(gè)諧波變化的旋轉(zhuǎn)力組成。每個(gè)諧波的振蕩速率Iii與曲軸或發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度η的比率稱為諧波階數(shù)i。由于作為慣性力和氣體力的結(jié)果的曲軸上的較高動(dòng)態(tài)負(fù)載，當(dāng)配置內(nèi)燃機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)者試圖實(shí)施盡可能寬范圍(例如，被優(yōu)化)的質(zhì)量平衡。在這種情況下，術(shù)語“質(zhì)量平衡”結(jié)合補(bǔ)償或減少慣性力對(duì)外部的影響的所有措施。就這種程度來說，根據(jù)本發(fā)明的用于平衡慣性力(mass force)的方法不僅涉及這樣的慣性力而且還涉及由慣性力所產(chǎn)生的力矩。
在這種情況下，存在針對(duì)曲軸曲柄、汽缸的數(shù)量和配置以及點(diǎn)火順序的調(diào)節(jié)的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)最好的質(zhì)量平衡。可以以這種方式平衡直列式六缸發(fā)動(dòng)機(jī)。六個(gè)汽缸以它們并行機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的方式結(jié)合成對(duì)來作為汽缸對(duì)。因此，第一汽缸和第六汽缸、第二汽缸和第五汽缸以及第三汽缸和第四汽缸結(jié)合以形成汽缸對(duì)，其中，三個(gè)汽缸對(duì)的曲軸銷和曲軸曲柄分別被配置為在曲軸上偏移120°CA。并行機(jī)械運(yùn)行是指并行機(jī)械運(yùn)行的兩個(gè)汽缸的兩個(gè)活塞在上止點(diǎn)(TDC)或下止點(diǎn)(BDC)處位于相同的。C A(曲軸轉(zhuǎn)角)。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火順序時(shí)，慣性力被平衡。在直列式三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，還可以通過選擇適當(dāng)?shù)那S曲柄和適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火順序來平衡一階慣性力和二階慣性力，但是不能平衡由慣性力所引起的力矩。如上述直列式六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的情況，不可能在每種情況下都實(shí)現(xiàn)完全質(zhì)量平衡，結(jié)果是必須采取進(jìn)一步的措施，例如，在曲軸上配置重錘(counterweight)和/或使內(nèi)燃機(jī)配備至少一個(gè)平衡軸。這些措施的出發(fā)點(diǎn)是通過隨時(shí)間變化并且由曲軸驅(qū)動(dòng)裝置的氣體力和慣性力組成的旋轉(zhuǎn)力來加載曲軸。曲軸驅(qū)動(dòng)裝置的質(zhì)量，例如，連桿、活塞、活塞銷和活塞環(huán)的相應(yīng)質(zhì)量可以轉(zhuǎn)換為振蕩等效質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)等效質(zhì)量。通過配置在曲軸上的重錘在其外部效應(yīng)方面可以容易地平衡旋轉(zhuǎn)等效質(zhì)量的慣性力。由振蕩等效質(zhì)量所引起的旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡更加復(fù)雜，該慣性力近似由以發(fā)動(dòng)機(jī)速度旋轉(zhuǎn)的一階慣性力和以兩倍發(fā)動(dòng)機(jī)速度旋轉(zhuǎn)的二階慣性力構(gòu)成，其中，更高階力可以忽略。實(shí)際上可以通過以相反方向旋轉(zhuǎn)并且設(shè)置有相應(yīng)重量的兩個(gè)軸(稱為平衡軸)的配置來完全平衡任意階的旋轉(zhuǎn)慣性力。這里，用于平衡一階慣性力的軸以發(fā)動(dòng)機(jī)速度旋轉(zhuǎn)，并且用于平衡二階慣性力的軸以兩倍發(fā)動(dòng)機(jī)速度旋轉(zhuǎn)。甚至在完全平衡旋轉(zhuǎn)慣性力的情況下，由于各個(gè)汽缸的慣性力作用在汽缸的中心平面中，所以產(chǎn)生慣性矩。這些慣性矩又可以通過配備有重量的平衡軸來在各自的情況下再次進(jìn)行補(bǔ)償。例如在直列式三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，可以通過單個(gè)平衡軸來補(bǔ)償由一階慣性力引起的力矩，其中，單個(gè)平衡軸在與曲軸相反的方向上以發(fā)動(dòng)機(jī)速度旋轉(zhuǎn)并且在其端部處提供以180°的偏移進(jìn)行配置并且用作非平衡(unbalance)的兩個(gè)配重。提供一個(gè)平衡軸或者如果需要的話提供多個(gè)平衡軸不僅增大了空間要求和成本，而且提高了燃油消耗。另一方面，通過尤其是軸的平衡單元的附加重量以及用作非平衡且明顯增加驅(qū)動(dòng)單元的總重量的重錘的附加重量引起增加的燃油消耗。另一方面，平衡單元的旋轉(zhuǎn)軸和其他移動(dòng)部件顯著地造成內(nèi)燃機(jī)的摩擦損失和該摩擦損失的增加。具體地，由于只要內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)平衡單元就一直連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的事實(shí)，該摩擦損失的增加具有相關(guān)性。例如，由于噪音設(shè)計(jì)，這里不斷地平衡慣性力，而沒有考慮內(nèi)燃機(jī)的瞬時(shí)工作狀態(tài)是否完全需要這種質(zhì)量平衡。因此，在相對(duì)較高的發(fā)動(dòng)機(jī)速度的直列式三缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，可以省略由一階慣性力所引起的力矩的平衡，這是因?yàn)橥ㄟ^振蕩所產(chǎn)生的噪聲被評(píng)價(jià)僅在較低旋轉(zhuǎn)速度處和怠速期間存在問題，并且僅在該旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)存在自然頻率區(qū)域中的激勵(lì)風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，在相對(duì)較高的旋轉(zhuǎn)速度處可以無需質(zhì)量平衡
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)意識(shí)到以上問題并且提供了利用相對(duì)較低摩擦損失進(jìn)行質(zhì)量平衡的方法。因此，具有與曲軸驅(qū)動(dòng)裝置相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)汽缸的內(nèi)燃機(jī)包括用于平衡慣性力的至少一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的平衡單元，平衡單元包括當(dāng)平衡單元運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通過初始相對(duì)于第二質(zhì)量繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)第一質(zhì)量而用作非平衡的至少一個(gè)配重；以及斷續(xù)單元，以在斷開狀態(tài)下使至少一個(gè)平衡單元與機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置斷開并且在開啟狀態(tài)下將至少一個(gè)平衡單元連接至機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置。為了質(zhì)量平衡，根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)使用可切換平衡單元，其中，當(dāng)需要平衡時(shí)可以啟用(例如開啟)可切換平衡單元，但是當(dāng)不需要平衡時(shí)，為了減少摩擦損失，停用(例如斷開)該可切換平衡單元?？梢酝ㄟ^根據(jù)本發(fā)明提供為了停用而使平衡單元(例如，質(zhì)量平衡)與機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置斷開的斷續(xù)單元的事實(shí)，來切換至少一個(gè)平衡單元。為此，在機(jī)械驅(qū)動(dòng)的平衡單元和機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置之間的力通量不得不通過例如離合器來斷開，該離合器為了斷開平衡單元而打開。在直列式三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，可以以這種方式在較低旋轉(zhuǎn)速度處和怠速模式中進(jìn)行質(zhì)量平衡，為了減少摩擦損失和相應(yīng)的燃油損耗，通過斷開平衡單元針對(duì)較高的旋轉(zhuǎn)速度取消質(zhì)量平衡。在機(jī)械驅(qū)動(dòng)的平衡單元的情況下，使用的平衡軸通?；騼?yōu)選地配置在曲軸箱下方。當(dāng)單獨(dú)或者結(jié)合附圖閱讀以下具體描述時(shí)，通過以下具體描述更容易理解本發(fā)明的以上優(yōu)點(diǎn)、其他優(yōu)點(diǎn)以及特征。應(yīng)該理解，提供以上概述，以簡(jiǎn)化形式引入在具體描述中進(jìn)一步描述的概念選擇。不是為了確定所要求的主題的關(guān)鍵或者基本特征，而是通過以下具體描述的權(quán)利要求來唯一地限定本發(fā)明的范圍。此外，所要求的主題不僅限于解決以上所述或者本發(fā)明的任何部分中所述的任何缺點(diǎn)的實(shí)施方式。


圖I示出了平衡單元的第一實(shí)施例。圖2a和圖2c示出了處于靜止位置的圖I所示平衡單元的實(shí)施例的配重(balancing weight)的側(cè)視圖。
圖2b和圖2d示出了處于工作位置的圖2a所示配重的側(cè)視圖。圖3示意性示出了包括發(fā)動(dòng)機(jī)和平衡單元的示例性車輛。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于平衡發(fā)動(dòng)機(jī)的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖I示出了平衡單元I的第一實(shí)施例。所示平衡單元I包括軸2，在該軸上配置有彼此間隔開的兩個(gè)配重3。軸2在自由端處具有還形成機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置4的驅(qū)動(dòng)齒輪4。為了中斷在平衡單元I和/或配重3與機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置4之間的力通量，提供了斷續(xù)單元6。在圖I所示的實(shí)施例中，離合器6a用作斷續(xù)單元6，其中，離合器6a配置在驅(qū)動(dòng)齒輪4和配重3之間。
通過打開離合器6a，中斷驅(qū)動(dòng)齒輪4和配重3之間的力通量并且斷開平衡單元I。在開啟狀態(tài)下，配重3通過閉合離合器6a連接至機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置4，結(jié)果是配重3可以繞旋轉(zhuǎn)軸5旋轉(zhuǎn)。在圖I中，示出了處于靜止位置的兩個(gè)配重3，它們?cè)趫D2a中也處于靜止位置。圖2a和圖2b示出了處于靜止位置的圖I所示平衡單元I的實(shí)施例的配重3的側(cè)視圖。用作非平衡的配重3包括兩個(gè)部分3a、3b，這兩個(gè)部分3a、3b以翼的形式實(shí)現(xiàn)并且可以相對(duì)于彼此繞與附圖平面垂直的旋轉(zhuǎn)軸5旋轉(zhuǎn)。這兩個(gè)部分3a、3b被配置成在軸2上旋轉(zhuǎn)180°。因此，在靜止位置中，兩個(gè)部分3a、3b在它們的外部效應(yīng)上相互抵消。通過旋轉(zhuǎn)兩個(gè)部分中的一個(gè)部分3b，產(chǎn)生不平衡并且形成用作非平衡的配重3。在工作位置中，兩個(gè)部分3a、3b不再具有偏移量，為此，第二部分3b旋轉(zhuǎn)180°。圖2b和圖2d示出了處于工作位置的圖2a所示配重3的側(cè)視圖，其中，通過圖2b中的虛線示出了第二部分3b的初始位置，例如靜止位置。如圖2d所示，當(dāng)?shù)诙糠?b旋轉(zhuǎn)時(shí)，為了繞軸一起旋轉(zhuǎn)，第一部分3a和第二部分3b基本上對(duì)準(zhǔn)。因此，在圖2b和圖2d所示的平衡單元可以包括兩個(gè)質(zhì)量在圖2b和圖2d中示為部分3a和3b的第一質(zhì)量和第二質(zhì)量。當(dāng)沒有啟用平衡單元時(shí)，例如處于靜止位置時(shí)，第一質(zhì)量和第二質(zhì)量相對(duì)于彼此配置在軸的相對(duì)側(cè)上，例如第二質(zhì)量可以相對(duì)于第一質(zhì)量旋轉(zhuǎn)180°。當(dāng)啟用平衡單元時(shí)，第二質(zhì)量可以相對(duì)于第一質(zhì)量移動(dòng)，直到第一質(zhì)量和第二質(zhì)量在軸的相同側(cè)上對(duì)準(zhǔn)為止。為了相對(duì)于第一質(zhì)量移動(dòng)第二質(zhì)量,可以配置在軸上的第一質(zhì)量和第二質(zhì)量包括被配置成彼此獨(dú)立進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的多個(gè)部分。因此，其上配置第一質(zhì)量的軸的部分可以保持靜止，而其上配置第二質(zhì)量的軸的部分可以旋轉(zhuǎn)。一旦質(zhì)量對(duì)準(zhǔn)，軸的部分就可以一起旋轉(zhuǎn)。可選地，第二質(zhì)量可以經(jīng)由電磁機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)或通過另一機(jī)構(gòu)移動(dòng)成對(duì)準(zhǔn)。平衡單元可安裝在內(nèi)燃機(jī)上，并且可以經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸被機(jī)械驅(qū)動(dòng)。至少一個(gè)平衡單元的機(jī)械驅(qū)動(dòng)是牽弓I機(jī)構(gòu)的內(nèi)燃機(jī)的實(shí)例是有利的。在內(nèi)燃機(jī)中，帶驅(qū)動(dòng)或鏈驅(qū)動(dòng)通常用于驅(qū)動(dòng)次級(jí)總成等，該帶驅(qū)動(dòng)或鏈驅(qū)動(dòng)通常稱為牽引機(jī)構(gòu)(并且以這種方式命名在本發(fā)明的范圍內(nèi))，其中，帶或鏈代表牽引裝置。牽引機(jī)構(gòu)旨在通過再拉伸(re-tensioning)以最低可能的能量損失和盡可能小的維修費(fèi)用來傳遞大扭矩。在這種情況下，多個(gè)次級(jí)總成的驅(qū)動(dòng)裝置通常被結(jié)合在一個(gè)牽引機(jī)構(gòu)中。為了在張力下保持牽引裝置并因此確保盡可能安全和無齒輪的驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)牽引裝置并在相對(duì)于拉力方向的橫向上對(duì)其施加力的張力設(shè)備通常設(shè)置在驅(qū)動(dòng)裝置的適當(dāng)位置，結(jié)果是驅(qū)動(dòng)裝置連續(xù)處于張力狀態(tài)。結(jié)合質(zhì)量平衡，尤其重要的是確保無滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)，這是因?yàn)榕渲叵鄬?duì)于曲軸沒有以期望方式進(jìn)行定位。在這方面，作為牽引裝置的鏈比滑動(dòng)帶具有優(yōu)勢(shì)。為此，內(nèi)燃機(jī)的實(shí)例也可以是有利地，其中，至少一個(gè)平衡單元的機(jī)械驅(qū)動(dòng)是確保無滑移驅(qū)動(dòng)的齒輪驅(qū)動(dòng)。斷續(xù)單元包括離合器的內(nèi)燃機(jī)的實(shí)例是有利的。通過離合器，具體地通過打開離合器，可以可靠地中斷機(jī)械驅(qū)動(dòng)平衡單元和機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置之間的力通量。如果至少一個(gè)平衡單元包括在其一個(gè)自由端處配置驅(qū)動(dòng)齒輪的軸，則摩擦離合器 可以設(shè)置在驅(qū)動(dòng)齒輪和該軸之間或者設(shè)置在驅(qū)動(dòng)齒輪和配置在該軸上的配重之間。當(dāng)使用齒輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以通過分離一個(gè)齒輪來中斷力通量，結(jié)果是齒輪在平衡單元的關(guān)閉狀態(tài)下不再彼此嚙合。用作非平衡的至少一個(gè)配重具有可以繞旋轉(zhuǎn)軸彼此相對(duì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)部分的內(nèi)燃機(jī)的實(shí)例是有利的。該實(shí)例關(guān)于至少一個(gè)平衡單元的開啟過程是尤其有利的，在至少一個(gè)平衡單元開啟過程期間，平衡單元與曲軸驅(qū)動(dòng)同步并且曲軸和配重的旋轉(zhuǎn)速度彼此適應(yīng)或者匹配。在特定情況下，配重不得不從靜止?fàn)顟B(tài)加速。由于配重在加速過程期間不與曲軸同步旋轉(zhuǎn)，所以如果配重已經(jīng)作為非平衡產(chǎn)生其全部效果，則是不利的。為此，形成配重的兩個(gè)部分優(yōu)選在開始開啟過程時(shí)定位為相互偏移180°，結(jié)果是這兩個(gè)部分在外部效應(yīng)上彼此消除，例如彼此抵消。通過旋轉(zhuǎn)兩個(gè)部分中的一個(gè)，首先生成非平衡并且形成用作非平衡的至少一個(gè)配重。在工作位置中，優(yōu)選地，兩個(gè)部分不再具有任意偏移量，為此該部分旋轉(zhuǎn)180°。提供用于在開啟過程期間使至少一個(gè)平衡單元與曲軸驅(qū)動(dòng)同步的裝置的內(nèi)燃機(jī)的實(shí)例是有利的。為了產(chǎn)生質(zhì)量平衡，其配重用作不平衡件并且繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的平衡單元的至少一個(gè)配重可以相對(duì)于曲軸(例如，關(guān)于曲軸驅(qū)動(dòng))具有特定的、不變的預(yù)定位置。在這個(gè)程度上，平衡單元可以在開啟過程的范圍內(nèi)與曲軸驅(qū)動(dòng)同步。在這種情況下，提供用于定位的裝置(例如，限位裝置和/或鎖定裝置)的內(nèi)燃機(jī)的實(shí)例是有利的。在配備有發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的內(nèi)燃機(jī)中，通過至少一個(gè)平衡單元通過發(fā)動(dòng)機(jī)控制器進(jìn)行切換和/或同步的事實(shí)來限定的內(nèi)燃機(jī)的實(shí)例是有利的。三個(gè)汽缸設(shè)置成一排的內(nèi)燃機(jī)的實(shí)例是有利的。直列式三汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于，可以通過選擇適當(dāng)?shù)那S曲柄和適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火順序來平衡一階慣性力和二階慣性力。為此，通過選擇適當(dāng)?shù)那S曲柄和適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火順序來平衡一階慣性力和二階慣性力的直列式三缸內(nèi)燃機(jī)的實(shí)例也是有利的。可以通過單個(gè)平衡軸來補(bǔ)償由一階慣性力引起的力矩，其中，單個(gè)平衡軸在與曲軸相反的方向上以發(fā)動(dòng)機(jī)速度旋轉(zhuǎn)并且在其端部處提供以180°的偏移進(jìn)行配置并且用作非平衡(unbalance)的兩個(gè)配重。因此，直列式三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)例也是有利的，其中，至少一個(gè)平衡單元包括至少兩個(gè)配重，至少兩個(gè)配重被配置成在軸上彼此間隔開，定位成偏移180°并且平衡在通過內(nèi)置汽缸延伸的中心平面中有效生成的慣性矩。在這種情況下，內(nèi)燃機(jī)的實(shí)例是有利的，其中，具有偏移位置的配重具有與內(nèi)燃機(jī)的中心平面相同的距離并且具有同樣大的質(zhì)量。如上所述，平衡單元可以設(shè)置在車輛中安裝的內(nèi)燃機(jī)上。圖3是車輛100的示例性描述。車輛100包括車輪102。扭矩經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)10和變速器104提供給車輪102。在一些實(shí)例中，電動(dòng)機(jī)和液壓電動(dòng)機(jī)也可以將扭矩提供給車輪102。交流發(fā)電機(jī)110可以經(jīng)由軸或滑輪機(jī)械連接至發(fā)動(dòng)機(jī)10。電池108和交流發(fā)電機(jī)110可以將電能提供給圖3中未示出的各種發(fā)動(dòng)機(jī)附屬部件。
發(fā)動(dòng)機(jī)10包括多個(gè)汽缸14。在本文中，發(fā)動(dòng)機(jī)10被示為直列式三缸發(fā)動(dòng)機(jī)；然而，其他汽缸配置也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。汽缸14經(jīng)由進(jìn)氣通道接收入口空氣，燃燒燃料，并且經(jīng)由排氣通道排出廢氣。氣缸14包括與曲軸11連接的活塞。還示出了平衡單元16。平衡單元16是上述平衡單元I的非限定性實(shí)例。平衡單元可以位于曲軸箱下方的軸上，并且可以經(jīng)由與發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸的直接或間接連接而被機(jī)械驅(qū)動(dòng)。平衡單元16包括配重13和諸如離合器的分離機(jī)構(gòu)15。在圖3中將控制器12示為傳統(tǒng)微計(jì)算機(jī)，其包括微處理器單元、輸入/輸出端口、只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、?；畲鎯?chǔ)器和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)總線。示出控制器12從連接至發(fā)動(dòng)機(jī)10的傳感器接收各種信號(hào)，包括來自感測(cè)曲軸位置的霍爾效應(yīng)傳感器20的發(fā)動(dòng)機(jī)位置信號(hào)。在本說明的優(yōu)選方面中，發(fā)動(dòng)機(jī)位置傳感器在曲軸的每一次旋轉(zhuǎn)時(shí)生成預(yù)定數(shù)量的等間隔的脈沖，從中可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)速度(RPM)。還示出控制器12控制包括發(fā)動(dòng)機(jī)10和平衡單元16的車輛100的各個(gè)方面。在一些實(shí)例中，控制器12可以控制平衡單元的配重的位置。圖4是示出用于利用本發(fā)明的平衡單元平衡發(fā)動(dòng)機(jī)的方法150的流程圖。作為內(nèi)燃機(jī)的至少一個(gè)操作參數(shù)的函數(shù)來切換至少一個(gè)平衡單元。在步驟152中，方法150包括確定發(fā)動(dòng)機(jī)速度是否大于閾值，諸如1000RPM。在較低旋轉(zhuǎn)速度處，發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性力會(huì)導(dǎo)致噪聲和振動(dòng)干擾，因此，可以啟用平衡單元以抵消干擾。在較高旋轉(zhuǎn)速度處，由于平衡單元的摩擦損失會(huì)經(jīng)歷發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性問題，因此，可以在高于閾值的速度處停用平衡單元。因此，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的速度不高于閾值，則方法進(jìn)行至步驟154，以通過旋轉(zhuǎn)平衡單元的軸來啟用平衡單元。如上所述，可以機(jī)械驅(qū)動(dòng)軸，并且平衡單元可以包括第一質(zhì)量和第二質(zhì)量。此外，在步驟156處，平衡單元的第一質(zhì)量和第二質(zhì)量可以保持間隔180°，直到該軸的速度等于曲軸的速度。一旦速度相等，在步驟158處，相對(duì)于第一質(zhì)量移動(dòng)第二質(zhì)量以使質(zhì)量對(duì)準(zhǔn)。返回步驟152，如果發(fā)動(dòng)機(jī)速度大于閾值，則方法150進(jìn)行至步驟160，以停用平衡單元。如果預(yù)先啟用平衡單元，則停用平衡單元可以包括在步驟162處經(jīng)由離合器或其他分離機(jī)構(gòu)分離軸以中斷軸的旋轉(zhuǎn)。然后，方法150返回。以上說明的根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行的描述還應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的方法。根據(jù)本發(fā)明，作為內(nèi)燃機(jī)的至少一個(gè)操作參數(shù)的函數(shù)來切換平衡單元。在直列式三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，例如，根據(jù)本發(fā)明的方法在較低旋轉(zhuǎn)速度處和在怠速模式中允許質(zhì)量平衡，并且對(duì)于相對(duì)較高的旋轉(zhuǎn)速度，為了減少摩擦損失和相應(yīng)的燃料消耗，斷開平衡單元并且無需質(zhì)量平衡。作為內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度η的函數(shù)來切換至少一個(gè)平衡單元的方法的實(shí)例是有利的。根據(jù)該方法變型例，內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度η是作為開啟和斷開平衡單元的函數(shù)的至少一個(gè)操作參數(shù)。由于慣性矩和慣性力以發(fā)動(dòng)機(jī)速度或多倍發(fā)動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并且通過相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)配重進(jìn)行相關(guān)的質(zhì)量平衡，所以質(zhì)量平衡由于涉及的原理而與發(fā)動(dòng)機(jī)速度具有密切關(guān)系，為此，內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度η也是用于實(shí)施平衡單元或斷續(xù)單元的開環(huán)控制和/或閉環(huán)控制的適當(dāng)操作參數(shù)。只要內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度η超過預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度nthMslTOld,up就斷開至少一個(gè)平衡單元(假設(shè)運(yùn)轉(zhuǎn)的平衡單元)的方法實(shí)例是有利的。以上方法變型例允許通過開啟或啟用的平衡單元在直列式三缸發(fā)動(dòng)機(jī)中平衡在較低旋轉(zhuǎn)速度處和在怠速模式中由一階慣性力所引起的力矩，并且對(duì)于相對(duì)較高旋轉(zhuǎn)速度 停用平衡單元，其中，當(dāng)超過預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度!!---,時(shí)，沒有立即要求平衡單元。所討論的變型例的特定優(yōu)點(diǎn)是在摩擦損失通常為最大值(例如，在內(nèi)燃機(jī)的特性圖區(qū)域中)的較高旋轉(zhuǎn)速度處斷開平衡單元，其中，顯而易見通過斷開平衡單元可以節(jié)省燃油。在這種情況下，只要內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度超過預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度nthrestold, up并且在預(yù)定時(shí)間周期At1內(nèi)大于該預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度nth_h()ld,up，就斷開至少一個(gè)平衡單元的方法實(shí)例是有利的。引入用于斷開至少一個(gè)平衡單元的附加條件旨在防止在旋轉(zhuǎn)速度僅暫時(shí)超過預(yù)定旋轉(zhuǎn)速度，然后再次下降或者在用于旋轉(zhuǎn)速度的預(yù)定值附近波動(dòng)而沒有超過證明斷開平衡單元的情況下過于頻繁地進(jìn)行切換，尤其是停用平衡單元。對(duì)于上述原因，方法變型例也是有利地，其中，只要內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度η低于預(yù)定旋轉(zhuǎn)速度nth_h()ld,d_，就開啟至少一個(gè)平衡單元(假設(shè)非運(yùn)轉(zhuǎn)的平衡單元)。在這種情況下，只要內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度η低于預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度nthresh()ld, d_并且在預(yù)定時(shí)間周期At2內(nèi)低于該預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度nth_h()ld,d_就開啟至少一個(gè)平衡單元的方法實(shí)例也是有利的。參考結(jié)合超過旋轉(zhuǎn)速度nthresh()ld,up和時(shí)間周期At1進(jìn)行的陳述。關(guān)于這些方法變型例所進(jìn)行的陳述以類似的方式進(jìn)行應(yīng)用。在直列式三缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，例如，當(dāng)?shù)陀陬A(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度nthresh()ld, d_時(shí)，為了平衡由一階慣性力所產(chǎn)生的力矩，啟用平衡單元是有利的。除了限定用于斷開和開啟平衡單元的特定旋轉(zhuǎn)速度nttoeshaLd,up或nttoestold, d_之外，還可以限定平衡單元工作或保持停用的旋轉(zhuǎn)速度范圍。在用作非平衡的至少一個(gè)配重具有可以繞旋轉(zhuǎn)軸彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)部分的內(nèi)燃機(jī)中，方法實(shí)例可以是有利的，其中，通過假設(shè)被定位為相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)180°的非運(yùn)轉(zhuǎn)的平衡單元，在平衡單元的開啟過程期間，在第一方法步驟中，平衡單元加速并且與曲軸驅(qū)動(dòng)同步，并且在第二方法步驟中，通過旋轉(zhuǎn)至少兩個(gè)部分來形成用作非平衡的配重。因此，以上所示的方法和系統(tǒng)提供了發(fā)動(dòng)機(jī)方法，包括在第一條件下，旋轉(zhuǎn)軸以旋轉(zhuǎn)平衡單元，該平衡單元包括在軸上配置成間隔180°的第一質(zhì)量和第二質(zhì)量，并且只要軸的速度等于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的速度，就相對(duì)于第一質(zhì)量移動(dòng)第二質(zhì)量，直到第一質(zhì)量和第二質(zhì)量在軸上對(duì)準(zhǔn)。該方法還包括在第二條件下，分離軸以停止軸的旋轉(zhuǎn)。第一條件可以包括發(fā)動(dòng)機(jī)速度低于第一閾值，并且第二條件可以包括發(fā)動(dòng)機(jī)速度高于閾值。分離軸可以進(jìn)一步包括經(jīng)由離合器分離軸。應(yīng)當(dāng)理解，本文公開的結(jié)構(gòu)和布置在本質(zhì)上是示例性的，并且這些具體實(shí)施例不應(yīng)在限制性的意義上來理解，因?yàn)楸姸嘧冃褪强赡艿?。例如，上面的技術(shù)可應(yīng)用于V-6、I-4、1-6、V-12、對(duì)置4缸以及其他發(fā)動(dòng)機(jī)類型。本公開的主題包括本文公開的各種系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)以及其他特征、功能和/或?qū)傩缘乃行路f和非顯而易見的組合和子組合。所附權(quán)利要求特別指出被認(rèn)為新穎和顯而易見的特定組合和子組合。這些權(quán)利要求可能涉及“元件”或“第一元件”或等同稱謂。這樣的權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)被理解為包括一個(gè)或·多個(gè)這種元件的結(jié)合，既不要求也不排除兩個(gè)或更多個(gè)這種元件?？梢酝ㄟ^對(duì)當(dāng)前的權(quán)利要求的修改或通過在本申請(qǐng)或相關(guān)申請(qǐng)中提出新的權(quán)利要求來要求保護(hù)所公開的特征、功能、元件和/或?qū)傩缘钠渌M合和子組合。無論與原始權(quán)利要求相比在范圍上更寬、更窄、相同還是不同，這些權(quán)利要求也被認(rèn)作包括在本公開的主題內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有與曲軸驅(qū)動(dòng)裝置相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)汽缸的內(nèi)燃機(jī)，包括 用于平衡慣性力的至少一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的平衡單元，所述平衡單元包括當(dāng)所述平衡單元運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通過初始相對(duì)于第二質(zhì)量繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)第一質(zhì)量而用作非平衡的至少一個(gè)配重；以及 斷續(xù)單元，其在斷開狀態(tài)下使所述至少一個(gè)平衡單元與機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置斷開以及在開啟狀態(tài)下將所述至少一個(gè)平衡單元連接至所述機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述至少一個(gè)平衡單元的所述機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置為牽引機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述至少一個(gè)平衡單元的所述機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置是齒輪驅(qū)動(dòng)裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述斷續(xù)單元包括離合器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，用作非平衡的所述至少一個(gè)配重具有可以繞所述旋轉(zhuǎn)軸彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述至少一個(gè)平衡單元在開啟過程期間與所述曲軸驅(qū)動(dòng)裝置同步。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃機(jī)，進(jìn)一步包括用于定位所述至少一個(gè)平衡單元的鎖定機(jī)構(gòu)和/或限位機(jī)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，進(jìn)一步包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，其中，通過所述發(fā)動(dòng)機(jī)控制器來開啟和斷開所述至少一個(gè)平衡單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述內(nèi)燃機(jī)包括設(shè)置成一排的三個(gè)汽缸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，通過選擇適當(dāng)?shù)那S曲柄和適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火順序來平衡一階慣性力和二階慣性力。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述至少一個(gè)平衡單元包括兩個(gè)配重，所述兩個(gè)配重被配置為在軸上彼此間隔開、定位成偏移180°并且平衡在通過內(nèi)置汽缸延伸的中心平面中有效生成的慣性矩。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，具有偏移位置的配重與內(nèi)置汽缸的中心平面具有相同距離并且具有同樣大小的質(zhì)量。
13.一種用于操作內(nèi)燃機(jī)的方法，包括 根據(jù)所述內(nèi)燃機(jī)的至少一個(gè)操作參數(shù)來開啟和斷開至少一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的平衡單元，所述至少一個(gè)平衡單元包括至少一個(gè)配重，所述至少一個(gè)配重用作非平衡并且當(dāng)平衡單元運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)， 其中，斷續(xù)單元在斷開狀態(tài)下使所述至少一個(gè)平衡單元與機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置斷開并且在開啟狀態(tài)下將所述至少一個(gè)平衡單元連接至所述機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，根據(jù)所述內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度η來開啟和斷開所述至少一個(gè)平衡單元。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，用作非平衡的所述至少一個(gè)配重具有可以繞所述旋轉(zhuǎn)軸彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)部分，并且所述方法進(jìn)一步包括如果所述平衡單元非運(yùn)轉(zhuǎn)，其中，各個(gè)部分相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)180°進(jìn)行定位，則當(dāng)所述平衡單元開啟時(shí) 加速所述平衡單元并且使所述平衡單元與曲軸驅(qū)動(dòng)裝置同步；以及旋轉(zhuǎn)用作非平衡的配重的所述至少兩個(gè)部分。
16.—種發(fā)動(dòng)機(jī)的方法,包括 在第一條件下， 旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)平衡單元，所述平衡單元包括在所述軸上配置為間隔180°的第一質(zhì)量和第二質(zhì)量；以及 一旦所述軸的速度等于發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸的速度，就相對(duì)于所述第一質(zhì)量移動(dòng)所述第二質(zhì)量直到所述第一質(zhì)量和所述第二質(zhì)量在所述軸上對(duì)準(zhǔn)為止。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在第二條件下，分離所述軸以停止所述軸的旋轉(zhuǎn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第一條件包括發(fā)動(dòng)機(jī)速度低于閾值，并且所述第二條件包括發(fā)動(dòng)機(jī)速度高于所述閾值。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，分離所述軸進(jìn)一步包括經(jīng)由離合器分離所述軸。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述軸機(jī)械連接至所述發(fā)動(dòng)機(jī)的所述曲軸。
全文摘要
提供了用于質(zhì)量平衡發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)例中，具有與曲軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)汽缸的內(nèi)燃機(jī)包括用于平衡慣性力的至少一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)平衡單元，平衡單元包括當(dāng)平衡單元運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通過初始相對(duì)于第二質(zhì)量繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)第一質(zhì)量來用作非平衡的至少一個(gè)配重；以及斷續(xù)單元，其在斷開狀態(tài)下使至少一個(gè)平衡單元與機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置斷開并且在開啟狀態(tài)下將至少一個(gè)平衡單元連接至機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置。
文檔編號(hào)F16F15/26GK102927198SQ20121027966
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者奎林·斯特凡, 施泰納·貝恩德 申請(qǐng)人:福特環(huán)球技術(shù)公司